粘土空心磚和實心磚的高溫力學性能對比試驗研究

鄒中奇

摘要:本文利用WAW-1000高溫微機萬能試驗機、箱式電阻爐和溫控儀對KP1型承重粘土空心磚和普通粘土實心磚在高溫下(500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃)進行抗壓力學性能試驗,得出粘土空心磚和實心磚在各個溫度下的抗壓強度以及抗壓強度折減系數。研究表明:空心磚的抗壓強度及高溫下隨溫度的升高抗壓強度下降強度和實心磚基本一致。空心磚的初裂荷載與極限荷載的比值比較大,表明空心磚在受壓時初裂縫出現較晚。粘土空心磚是當前大力發展的一種新型墻體材料,與實心磚相比具有很大的優越性,對比研究這兩種建材在高溫下的力學性能對于建筑防火安全設計具有重要意義。

關鍵詞:實心磚空心磚高溫力學性能強度折減系數

中圖分類號:TU5 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(c)-0079-03

1 緒論

1.1 粘土磚的應用現狀和發展趨勢

目前,粘土磚作為墻體和屋面的主要建筑材料,大量應用于住宅、中小型單層工業廠房、影劇院等建筑物中,是我國建筑工程中量大面廣的最常用的結構形式。粘土磚是用粘土制成一定的形狀的坯然后在磚窯中高溫燒制出來的,是最傳統的建筑材料。按孔洞率分為無孔洞或孔洞率小于15%的實心磚(普通磚),孔洞率等于或大于15%的空心磚。

據不完全統計,目前我國粘土實心磚年產量多達4300多億塊,生產這么多的粘土磚,光燒制過程中消耗的煤量就占到全年煤能源消耗總量的15%左右。隨著國家“禁實推新”工作的不斷推廣深入,承重型粘土空心磚作為一種新型墻體材料在我國得到推廣應用。相比實心磚,粘土空心磚具有保溫、隔熱、抗震性能好、造價低廉、施工方便、快捷等優點,對于保護耕地、節約能源、保護環境等有積極意義,是我國重點推廣使用的新型墻體材料之一。

1.2 空心磚力學性能的研究動態

湖南農業大學的梁建國和中元國際工程設計研究院的梁輝等人通過18件P型燒結頁巖多孔磚、3件燒結頁巖普通磚砌體抗壓試驗研究,得出了這種多孔磚的受壓強度設計取值方法,其力學性能均達到和超過普通粘土磚,是一種性能優越的墻體材料。

研究表明,空心磚砌體在常溫下其抗壓強度相當或略高于實心磚砌體,一般認為抗壓強度較高的原因是塊體尺寸的影響。從這點看,用具有隔熱、抗震性能好、造價低廉、施工方便、快捷等優點,對于保護耕地、節約能源、保護環境等有積極意義的粘土空心磚替代粘土實心磚是可行的,甚至是必要的。承重型空心磚在高溫下力學性能的變化和實心磚是否一致,能否在高溫下滿足承載要求,保證安全,真正做到替代實心磚,均沒有可參考的文獻及借鑒的實例,本文就將進行這方面的研究。

2試驗內容和試驗結果

2.1 試驗樣品和試驗設備

2.1.1 試驗樣品。

試驗用磚為KP1型承重型粘土空心磚和普通粘土實心磚。兩種材料均從市場選購,空心磚尺寸為240mm×115mm×90mm,孔洞率為25%;實心磚尺寸為240mm×115mm×50mm。兩種樣品磚的外型勻稱、密度均勻,經過初步測試,用半磚得到的抗壓強度數據和用整磚得到的基本一致,所以用切割機把一塊磚在長度方向均分為兩塊作為此次試驗的直接樣品。最終得到實心樣品磚尺寸為120mm×115mm×50mm,空心樣品磚為120mm×115mm×90mm。

2.1.2 試驗設備。

(1)WAW-1000高溫微機萬能試驗機。

WAW-1000高溫微機萬能試驗機(圖1)是當今國內具有較高水平的工程測試設備,它由加載系統、溫控系統以及數據量測系統組成。可用于鋼材及其它金屬材料的常溫和高溫拉伸、壓縮、彎曲等強度的力學試驗。也可用于水泥及粘土磚等非金屬材料的常溫和高溫壓縮的力學試驗。

(2)加溫及溫控裝置。

加溫及溫控裝置(圖2)包括箱式電阻爐和溫控儀。箱式電阻爐是天津市中環實驗電爐有限公司生產的,額定電壓為220V,額定功率為5kW,加熱最高溫度為1200℃,爐膛尺寸為300mm×200mm×120mm。溫控儀是余姚市東方電工儀器廠生產的,輔助箱式電阻爐使用可以使磚加熱到所需加熱的溫度并保持恒溫。

2.2 試驗內容和試驗步驟

2.2.1 試驗內容。

本課題研究粘土實心磚和空心磚在溫度為500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃的情況下其初裂荷載、極限荷載等力學參數,并對比研究這兩種建材在高溫下力學性能的變化規律。即分析實心磚和空心磚的力學性能參數隨溫度升高的變化趨勢,得出兩種磚隨溫度升高抗壓強度的折減系數,為建筑選擇建材提供參考數據。

2.2.2 試驗步驟。

(1)利用箱式電阻爐對試件進行加熱,使試件的溫度分別達到500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃,當磚的溫度達到目標溫度后繼續恒溫40min,讓試件內外均得到均勻加熱。記錄試件加熱的時間。(2)將加熱好的試驗試件快速置于試驗機上,調節上壓板,使之與試件上表面緊密接觸,以1kN/s加載速度進行抗壓試驗,直至試件失去承載能力,試驗完畢后保存試驗所得數據。(3)在試驗過程中,觀察和捕捉第一條受力的發絲裂縫,并記錄初裂荷載值。

2.3 試驗結果及數據分析

2.3.1 加熱及恒溫時間。

試驗過程中記錄各試件的加溫時間和恒溫時間以及總時間如表1。

2.3.2 試驗結果與數據分析。

(1)常溫力學試驗數據。

試驗過程中可由系統自動記錄荷載、變形、位移等參數。為了研究粘土實心磚和空心磚在高溫下抗壓強度的折減系數,試驗前先進行粘土實心磚和空心磚的常溫力學試驗,各進行兩次。根據試驗中得到的荷載、變形、位移數據可得到荷載-變形關系曲線,將試件初次出現明顯的裂縫時的荷載定義為初裂荷載,將試件能承受的最大荷載定義為極限荷載,見圖3。從試驗數據可以得到粘土磚的常溫極限荷載分別為558kN和488kN,平均為523kN。空心磚的常溫極限荷載分別為527kN和529kN,平均為528kN,見表2。

(2)高溫力學試驗數據。

對于粘土實心磚和空心磚的高溫試驗,每個溫度下進行一次試驗,系統自動記錄試驗中的荷載、變形、位移。

(3)高溫試驗結果的分析。

根據前面對初裂荷載和極限荷載的定義,根據得到的試驗數據可以得出粘土實心磚和空心磚在各個溫度下的初裂荷載,極限荷載,并計算出初裂荷載和極限荷載的比值,見表2。

從表2中可知,空心磚和實心磚受壓破壞時,初裂荷載均達極限破壞荷載的0.5倍以上。空心磚初裂荷載與極限荷載的比值為49%～60%,平均為54%,實心磚初裂荷載和極限荷載的比值為47%～60%,平均為52%。相比而言,空心磚的初裂荷載與極限荷載的比值稍大,由此可見,空心磚在受壓時初裂縫出現稍晚。

將各試件的極限荷載換算成強度參數,根據抗壓強度p計算公式:

p=N/S (1)

由受壓面積S=120mm×115mm=138cm2,把各個溫度下的極限荷載值代入公式(1)可以分別計算出各個溫度下兩種磚型的抗壓強度,見表3。

從表3中可知,實心磚的抗壓強度隨著溫度的升高整體呈下降趨勢,溫度從500℃到700℃時,抗壓強度沒有太大的變化。當溫度升高到800℃時,抗壓強度明顯降低,為23.5MPa。溫度繼續升高,抗壓強度下降幅度減小,900℃時為22.5MPa,1000℃時為20.6MPa。空心磚的抗壓強度隨溫度升高也呈下降趨勢,溫度升高到500℃時,抗壓強度為36.4MPa,500℃到700℃抗壓強度變化不大,當溫度達到800℃時,抗壓強度為24.3MPa,可以看出有明顯的下降,溫度繼續升高,抗壓強度下降幅度減緩,900℃時為22.5Mpa,1000℃時為20.4Mpa。空心磚和實心磚的各溫度下的抗壓強度的平均比值為1.01,可見空心磚的抗壓強度和實心磚基本一致。

將實心磚和空心磚在用各溫度下的抗壓強度除以常溫下的抗壓強度即得到兩種磚在各溫度下抗壓強度的折減系數,見表4。

從表4中可以看出兩種材料的高溫強度折減系數隨著溫度的升高均有不同的下降,空心磚和實心磚在各溫度下抗壓強度折減系數幾乎相當,空心磚的抗壓強度折減系數600℃、900℃時與實心磚一致,700℃、1000℃時比實心磚稍小,500℃、800℃時比實心磚稍大,說明空心磚在高溫下隨溫度的升高抗壓強度下降強度和實心磚基本一致。

若把加熱時間考慮成火災發展時間,可以得出加熱時間和抗壓強度折減系數的關系,見表5。

由此可以看出,從開始到時間為90min時,磚的溫度達到700℃左右,實心磚抗壓強度為常溫下的85%～94%,幾乎不會對磚的承載能力產生大的影響;當時間超過90min后,抗壓強度會有比較大的變化,時間超過兩個小時后,溫度超過800℃,此時抗壓強度為常溫下的60%左右,對于建筑物的承載已經達到比較危險的程度;加熱時間再長一些,溫度會升高到1000℃甚至更高,此時抗壓強度只有常溫下的一半甚至更低,已不適合承載。空心磚的情況基本和實心磚一致,到90min之前,抗壓強度為常溫下的82%～95%,不會對承載影響太大;當時間超過90min后,抗壓強度也會有一個比較明顯的變化,為常溫的60%左右;當時間超過兩個小時后,溫度達到1000℃,此時的抗壓強度僅為常溫的53%,已遠低于適合承載的值。

3結論和展望

本文通過對粘土實心磚和空心磚在不同高溫下的抗壓對比試驗研究,得到以下幾個結論。

(1)粘土空心磚和實心磚在高溫下抗壓強度和強度折減系數隨著溫度的升高而降低,空心磚的抗壓強度及高溫下隨溫度的升高抗壓強度下降強度和實心磚基本一致。(2)實心磚和空心磚受壓破壞時,初裂荷載均達極限破壞荷載的0.5倍以上,但是空心磚的初裂荷載與極限荷載的比值比實心磚的大,表明空心磚在受壓時初裂縫出現較晚。(3)當火災時間超過90min后,粘土實心磚和空心磚的抗壓強度均下降至常溫下的60%以下,此時磚體會發生開裂,故由粘土實心磚和空心磚作承重構件的建筑物有倒塌的危險。因此,當火災時間超過90min后,滅火救援人員盡量避免進入建筑物內進行滅火救援作業。

承重型粘土空心磚的尺寸一般要比實心磚大,幾乎是實心磚的兩倍。當把磚砌成砌體時,空心磚所用砂漿量要遠小于實心磚,單位高度的砌體,水平灰縫僅為實心磚的一半左右,所以灰縫對空心磚砌體的影響要遠小于實心磚,加上砂漿會在空心磚的孔洞內形成銷鍵,會使空心磚砌體的強度大于實心磚砌體的強度。砌體的耐火性能不僅僅與磚的耐火性能有關,還與砌體的整體結構、完整性、絕緣性有關。空心磚由于尺寸大,內部孔洞多,導熱系數小,所以砌體整體結構好,完整、絕緣性好,從而其耐火性能會比單個磚體大大提高。由于試驗條件限制,在本次試驗過程采用的是恒溫加載的方法,而不是恒載加溫,與實際情況有一定差別。影響磚的力學性能的因素很多,如制作的粘土的成分和添加物、養護條件、燒制條件等,所以本研究的結果僅僅適用于與本研究所用樣品性質相同的磚,應用到工程中還要視實際情況而定。

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